автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Повышение помехоустойчивости измерительных преобразователей

На правах рукописи

ЖЕСТКОВА Юлия Евгеньевна

ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические величины)

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2005

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы» Пензенского государственного университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Чернецов В. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Свистунов Б. Л.; кандидат технических наук, профессор Крысин Ю. М.

Ведущее предприятие - Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов».

Защита диссертации состоится 27 октября 2005 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета А 212.186.02 Пензенского государственного университета по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан 24 сентября 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Светлов А. В.

2ооН- 2Ц72РЗ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Широкое использование электронной техники и энергоемкого электрооборудования выдвигает на первый план проблему электромагнитной совместимости средств измерений (СИ), т. е. обеспечения высоких метрологических характеристик в условиях внешних электромагнитных помех.

Задача построения помехоустойчивых СИ тесно связана с необходимостью учета двух взаимосвязанных технических факторов. С одной стороны, это возрастающие требования к снижению порога чувствительности при высоких требованиях к метрологическим характеристикам, с другой, постоянный рост уровней помех из-за роста электропотребления в сфере промышленности, транспорта, быта и т. д., т. е. вследствие ухудшения общего электромагнитного фона. Поэтому разработка алгоритмов измерения и самих СИ, обладающих устойчивостью к воздействию помех, изменяющихся в широком диапазоне частот, остается весьма актуальной.

К настоящему времени в решении рассматриваемой проблемы достигнуты значительные практические и теоретические результаты. Большой вклад в развитие теории и практики построения помехоустойчивых СИ внесли коллективы отечественных ученых, руководимые в разное время: Т. М. Алиевым, И. М. Вишенчуком, В. С. Гут-никовым, К. Л. Куликовским, В. Ю. Кнеллером, В. Н. Малиновским,

A. И. Мартяшиным, А. М. Мелик-Шахназаровым, П. В. Новицким, М. П. Цапенко, Э. К. Шаховым, Б. Я. Швецким, Г. П. Шлыковым,

B. М. Шляндиным, Г. А. Штамбергером и др.

В Пензенском государственном университете в течение последних 30 лет широкие исследования по рассматриваемой проблеме ведутся по двум основным направлениям. Одно направление, основанное Э. К. Шаховым и развиваемое его учениками В. Д. Михотиным, Б. В. Чувыкиным, ориентировано на совершенствование средств измерений, реализующих помехоустойчивые методы интегрирующего развертывающего преобразования. Второе направление, возглавляемое А. И. Мартяшиным и развиваемое его учениками В. И. Чернецо-вым, П. П. Чураковым и др., решает задачи построения инвариантных измерительных преобразователей, устойчивых к влиянию неин-

| <-ОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I библиотека |

! ¿ЧЛЙ'1

■ »■ |Ц»

формативных параметров исследуемой цепи, т. е. по сути к воздействию параметрических помех.

В результате нашли решение вопросы классификации помех, разработаны способы построения помехоустойчивых СИ и алгоритмы обработки результатов измерений, обеспечивающие улучшение показателей помехоустойчивости. Но вместе с тем имеется ряд задач, не нашедших убедительного решения или решенных с ограничениями, сужающими функциональные возможности СИ. К таким, например, относится задача построения помехоустойчивых СИ для случаев, когда помеха по мощности (амплитуде) существенно превосходит измеряемый сигнал, что имеет место в промышленности в условиях значительных кондуктивных и электромагнитных помех, в биомедицине, в радиоастрономии, в сейсмологии и т. д. Кроме того, не нашла удовлетворительного решения задача достижения требуемой помехоустойчивости при наличии нелинейности функции преобразования измерительного преобразователя (ИП). В обоих случаях накладываются ограничения, которые существенным образом влияют на допустимый динамический диапазон изменения помехи (ДДП).

В настоящей работе внимание уделено исследованию влияния различного вида помех в процессе преобразования измеряемого сигнала в ИП и разработке на этой основе новых способов и алгоритмов подавления помех.

Цель работы

Целью является разработка и исследование способов, алгоритмов и измерительных преобразователей, обеспечивающих повышение помехоустойчивости в широком динамическом диапазоне изменения помех (ДДП).

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

- анализ механизмов проникновения помех в измерительные цепи (ИЦ) и исследование спектральных характеристик помех;

- сравнительный анализ помехоустойчивости средств измерений, реализующих различного типа алгоритмов аналого-цифрового преобразования;

- разработка и исследование новых способов и алгоритмов преобразования, улучшающих показатели помехоустойчивости ИП и расширяющих допустимый ДДП;

- получение оценок предельной помехоустойчивости разработанных ИП в зависимости от амплитуды помех и нелинейности измерительного тракта;

- апробация и доведение разработанных алгоритмов преобразования, имитационных моделей и структур СИ до практического применения в хоздоговорных, научно-исследовательских работах и учебном процессе.

Предмет исследований

1. Математические и имитационные модели измерительных цепей и преобразователей, их исследование для определения погрешностей, обусловленных влиянием различного рода помех.

2. Математические модели измерительного тракта преобразования и их исследование для определения влияния нелинейности функции преобразования на помехоустойчивость СИ.

3. Способы и алгоритмы преобразования и обработки сигналов ИП, обеспечивающие повышение помехоустойчивости СИ как в условиях значительных помех, так и при наличии нелинейности тракта преобразования.

Методы исследований

Включают в себя: методы математического анализа, линейной алгебры, теории непрерывных и импульсных систем, систем автоматического регулирования, теории графов, численные методы цифровой фильтрации, методы математической статистики, методы математического и схемотехнического моделирования на ЭВМ. Теоретические исследования проводились с использованием пакета программ МаЛСАБ и ЗшшНпк.

Научная новизна работы

1. Выявлен механизм воздействия помех на измерительные цепи СИ во взаимосвязи с допустимым ДЦП на примере ряда АЦП, использующих интегрирующее развертывающее преобразование сигнала ИЦ.

2. Разработан и исследован способ расширения допустимого динамического диапазона изменения помехи для интегрирующих ИП, реализующих метод двухтактного интегрирования.

3. Предложены математические модели нелинейных ИП; проведен анализ и разработаны алгоритмы повышения помехоустойчивости СИ с нелинейными функциями преобразования.

4. Получены аналитические выражения для оценки достижимого коэффициента подавления помехи нормального вида в зависимости от значения ДДП и характера нелинейности тракта преобразования СИ.

Практическая ценность

Теоретические и практические результаты, полученные в диссертации, разработанные способы и алгоритмы подавления помех нормального вида в нелинейных трактах преобразования, структурные схемы интегрирующих ИП, обеспечивающие расширение ДДП, а также разработанные математические и схемотехнические модели исследования позволяют сократить затраты на проектирование СИ и могут быть использованы при разработке и анализе метрологических характеристик СИ, обладающих повышенной помехоустойчивостью.

Предложены практические рекомендации по выбору оптимального алгоритма подавления помех в зависимости от условий эксплуатации СИ и вида функции преобразования ИП.

Реализация и внедрение

Диссертация представляет собой обобщение хоздоговорных научно-исследовательских работ, в выполнении которых автор принимал участие в Пензенском государственном университете и в Пензенском филиале Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства. Разработанные алгоритмы подавления помех, математические и имитационные модели преобразования, пакет программ для оценки помехоустойчивости могут быть использованы при разработке и производстве средств измерений электрических и неэлектрических величин, при постановке лабораторных работ для учебного процесса.

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в ООО НЛП «Энерготехника», ЗАО «Энергосервис», ЗАО «Энерго-строймонтаж», ЗАО «Пензенские городские сети», используются на кафедрах АЭЭС, РТ и РЭС и КиПРА Пензенского госуниверситета, на кафедре «Прикладная информатика» Пензенского филиала Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства при выполнении исследовательских работ и в учебном процессе, что подтверждено соответствующими документами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика исследования влияния помех на метрологические характеристики интегрирующих ИП с применением методов математического и схемотехнического моделирования.

2. Способ, алгоритмы и структурные схемы ИП с двухтактным интегрированием, обеспечивающие расширение допустимого динамического диапазона изменения помех.

3. Обоснование целесообразности использования обменных зависимостей между погрешностью нелинейности функции преобразования ИП и предельно достижимыми значениями коэффициента подавления помех нормального и общего видов при разработке алгоритмов преобразования ИП.

4. Алгоритмы подавления помех для СИ с нелинейными характеристиками преобразования, позволяющие повысить их помехоустойчивость по отношению к аддитивным синусоидальным помехам.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах: на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2000, 2002, 2004); Международной научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации, системы измерения, контроля и управления» (г. Москва, 2003); Всероссийской НТК «conf 2004» (г. Москва, 2004); на конференциях Пензенского государственного университета и др. Всего по тематике диссертации сделано 18 научных сообщений и докладов.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе: 7 статей (две единоличные), 8 тезисов докладов, 1 информационный листок и 3 учебно-методических пособия.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основной текст изложен на 181 листе машинописного текста, включая 67 рисунков и 8 таблиц. Библиографий -121 наименование.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, кратко охарактеризовано состояние проблемы, сформулированы научная новизна, основные защищаемые положения, цели и задачи исследования.

В первой главе рассматриваются различные виды помех и механизм их воздействия на измерительные цепи СИ. Рассмотрена классификация помех, делящая их, во-первых, на активные, проявляющиеся в виде наводок, токов утечки, напряжений смещения, дрейфа и т. п., и параметрические, проявляющиеся в виде изменения значений параметров пассивных элементов ИЦ или схем замещения объектов исследования (датчиков); во-вторых, на помехи нормального и общего вида. На примере простейшей ИЦ с помощью потенциально-токового и обобщенного сигнального графов получены выражения, описывающие влияние помех нормального и общего вида. Анализ результатов позволил обосновать требования по обеспечению симметрии каналов преобразования сигналов помех либо за счет симметрии входных цепей ИП, либо за счет симметрии параметров элементов самого ИП.

В случае нелинейности тракта преобразования, описываемого функцией преобразования ИП, спектр гармонической помехи на выходе ИП расширяется и появляются составляющие, частоты которых попадают в частотный спектр информативного сигнала. Для оценки помехоустойчивости таких ИП предложено воспользоваться выражением для определения коэффициентов подавления помех Кщ нормального и Кс общего видов

*ЛГ(С)= 201g

го

1 * J

fmax{xnMJX}")

ч /

(1)

где х - значение входного информативного сигнала; - оценка размера помехи на входе; тах|хПВЬ1Х} - оценка размера помехи на выходе и f(x) - значение выходного информативного сигнала. Удобство оценки в том, что она дает возможность учесть влияние самого ИП на помехоустойчивость СИ в целом.

По характеру воздействия на СИ выделены помехи электромагнитные, влияние которых проявляется через емкостные и индуктивные связи между источником помех и ИП, и помехи кондукгивные, влияние которых проявляется в изменении питающих токов и напряжений.

Проведен анализ влияния электромагнитных гармонических и импульсных помех для случаев емкостной и индуктивной связи. Получены выражения, описывающие их воздействие, на основании которых выработаны конструкционно-технологические и схемотехнические рекомендации по выполнению элементов ИП, снижающие влияние помех.

Исследованы механизмы возникновения кондуктивных помех на примере нелинейной нагрузки

ии=ис-а11-а212 (2)

и при релейном регулировании тока нагрузки в случайный момент относительно фазы сетевого напряжения. Получены математические описания косинусоидальной (3) и синусоидальной (4) составляющих спектра кондуктивных помех

1 2С 1 fí 2 2 1

Ан = — Ucsiatcosktdt--[¿/j/siní + a2I sin í\cosktdt ; (3)

1С » JC J

о фр

2л Л i

BH = — Jí7csiii/ smktdt - — J jej/sin/ + a2/2sin2/]sinA:íí/í

(4)

" ФР

Произведена оценка составляющих спектра по формуле (1). Показано, что при сетевом напряжении 220 В и предельных значениях коэффициентов а\ = 30 и а2= 20 условия электромагнитной совместимости выполняются для разных значений фазового сдвига и спектра частот от нулевой до 40-й гармоники.

Для объективной и всесторонней характеристики свойств СИ показателя помехоустойчивости недостаточно. Необходимо учитывать условия электромагнитной совместимости (ЭМС) СИ как по цепям питания, так и по электромагнитным помехам. Уровень помех может достигать порогового значения, когда нарушается устойчивое функционирование СИ. Представляется целесообразным определять допустимый динамический диапазон изменения помех (ДДП), в котором гарантируется функциональная работоспособность СИ и обеспечиваются требуемые показатели помехоустойчивости.

Вторая глава посвящена сравнительному анализу помехоустойчивости алгоритмов преобразования ИП. Наибольшее применение в

настоящее время находят СИ, реализующие различные алгоритмы интегрирующего развертывающего преобразования, которые при сравнительной простоте реализации обладают высокими точностью преобразования и помехоустойчивостью, а выходной унифицированный сигнал - частота (интервал времени) легко кодируется и преобразуется в числовой эквивалент.

При исследовании помехоустойчивости двухтактных интегрирующих аналого-цифровых преобразователей (ИАЦП) определены показатели помехоустойчивости для ДЦП, при граничных значениях которого обеспечиваются условия линейной работы ИАЦП. Известно, что длительность Ги первого такта преобразования напряжения их выбирается кратной периоду Тп действия синусоидальной помехи 1/п . В результате длительность АТ второго такта преобразования, в котором производится списывание опорным напряжением ио накопленного за первый такт напряжения до фиксированного (обычно нулевого) уровня, не зависит от помехи. При одинаковых постоянных времени интегрирования т в обоих тактах преобразования функция преобразования определяется как

= ТГТУ1 • (5)

ио

Условие (5) выполняется, если не нарушается линейный режим работы интегрирующего устройства (ИУ), т. е. когда его напряжение

ии (0 = -ких+иП (№ < 1/и (6)

Х0

не превышает уровня {7Н насыщения во всем в интервале време-

2яг

ни Ги, где ип (0 = ит зт(-+ <р) - помеха. (7)

Тп

Анализ показал, что наибольшие значения С/и(0 с учетом помехи (7) будут при ф = 0 и числе периодов помехи п = 1, т. е. при ТП = Ги. Причем максимального значения помеха в интервале Та интегрирования достигает в момент времени, равный

*э=Ги/2. (8)

Для расширения ДДП и эффективного подавления помех рекомендуется увеличивать значения постоянной времени х . Однако при этом резко увеличивается погрешность, обусловленная влиянием нестабильности порога срабатывания нуль-органа, формирующего интервал АТ, и определяемая как:

At = -

U,

нш

ил

-т,

(9)

где инш - нестабильность порога срабатывания нуль-органа, обусловленная влиянием помех, внутренних шумов и т. п.

Таким образом, для подавления гармонических помех в интервале Тл надо увеличивать х, а для снижения влияния нестабильности порога срабатывания нуль-органа в интервале AT надо уменьшать х . Разрешение противоречия требует проведения исследования влияния ДДП на показатели помехоустойчивости ИАЦП, реализующих различные алгоритмы преобразования, и определения граничных значений ДДП. Предложена схемотехническая модель двухтактного интегрирующего ИАЦП, которая исследована средствами пакета Simulink\Power System Blockset (S/PSB) для разных значений Ux, Um и х . Из результатов исследования получена математическая модель регрессионной зависимости ДДП от указанных параметров в виде

Um = Oq + a\Ux + a2r + a&Ux + a$x, (10)

коэффициенты а, которой могут быть найдены как решение системы уравнений

0 625 0 10000 250 2500 250 625

0 0 5

25 100 50

10 25

10 100 1000 10000

"39.2 "

156.8

• «2 = 70

«3 22.7

139

(И)

Для практических целей проектирования двухтактных ИАЦП получена более удобная эмпирическая формула расчета ДДП

ТТ -ТТ ^т(О) ~ит(10) . _пх

ит=ит( 0)--ТТ-их=-—ии-ких, (12)

^ н ■'и

где £/т(0) (^/п(Ю))~ амплитуда помехи при их = О (С/* =10 В).

В квазиразвертывающих1 ИАЦП, где в смежных тактах преобразования интегрируются сигналы 1/х +170 и 1/х - Со, ДДП определяется соотношением ит <и$~их, при нарушении которого происходит срыв генерируемых квазиразвертывающим ИАЦП импульсов.

В результате исследований ИП на базе ИАЦП с интегрирующими дискретизаторами первого (ИД1) и второго (ИДО) порядка получены следующие соотношения для ДДП:

ит1=п^г(ии-^их), (13)

и Л!

ит2=^(.ин-1,51/х) . (14)

При этом если в ИП с ИД1 при нарушении границ ДДП происходит срыв колебаний, то в ИП с ИД2 срыва не происходит, но появляется дополнительная погрешность преобразования. Однако если условия по ДДП выполняются, то помехоустойчивость ИП с ИД2 выше.

Полученные формулы дают возможность на этапе проектирования рассчитать границы ДДП и определить пути совершенствования ИП.

Третья глава посвящена исследованию возможностей расширения ДДП различных ИАЦП и разработке новых способов и алгоритмов преобразования, обеспечивающих повышение помехоустойчивости. Показано, что в ИАЦП с заградительными фильтрами для успешного подавления помех следует увеличивать постоянную времени до т ~ Ги, но при этом ухудшаются динамические характеристики ИАЦП. С повышением порядка заградительного фильтра ДДП расширяется и повышается помехоустойчивость, что наглядно видно при малых девиациях изменения частоты (рис. 1), но усложняется аппаратурная реализация.

1 Шахов Э. К. Интегрирующие развертывающие преобразователи / Э. К. Шахов, В. Д. Михотин. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 142 с.

В ИАЦП с весовым усреднением номинальная функция преобразования при равенстве значений резисторов, определяющих весовую функцию, имеет вид:

АТ = 21/хТа/и0, (15)

т. е. чувствительность будет вдвое больше по сравнению с ИАЦП с двухтактным интегрированием, однако ДЦП также зависит как от амплитуды помехи, так и от фазового сдвига, и при <р = 0 будут наи-

Рис. 1. АЧХ ИАЦП при малых девиациях частоты помехи

Исследование схематической модели ИАЦП с весовым усреднением средствами пакета (5/Р55) показало, что при П = соТп = 2л обеспечивается наилучшее подавление помех. Так, в ИАЦП с двухтактным интегрированием при 1%-м отклонении частоты помехи от 2п коэффициент подавления помехи нормального вида равен 40 дБ, а в ИАЦП с весовым усреднением - 60 дБ.

Для расширения ДЦП в двухтактном ИАЦП предлагается способ преобразования, суть которого поясняется функциональной схемой, приведенной на рис. 2. В первом такте (интервал Ги ) преобразования их конденсаторы и С2 включены параллельно и значение постоянной времени х = Я(С1 +С2) ИУ выбирается достаточно большим, чтобы обеспечить условие (7) во всем интервале времени Тц, при

этом согласно условию (6)

Во втором такте, в момент времени, когда к входу ИАЦП подключено списывающее напряжение Uq, один из параллельно включенных конденсаторов переключается на земляную шину. В результате происходит переразряд емкостей и выходное напряжение one- | рационного усилителя (ОУ1) ИУ возрастает в (Q +С2)/С2 раз с (рис. 3). Одновременно уменьшается значение постоянной времени до X] = RC\ ИУ, что необходимо для снижения влияния нестабиль- » ности (9) порога срабатывания ОУ2 нуль-органа.

БУ <г

Рис. 2. Схема ИАЦП с расширением ДДП

Алгоритм работы переключателей и ^ задается с помощью блока управления (БУ). Функция преобразования ИАЦПП описывается выражением

а расширение ДДП увеличивается в (С) +С2)/С2 раз. Достоинством является также то, что, как в известном ИАЦП с двухтактным интегрированием (5), значения емкостей не входят в функцию преобразования.

а

Тп д т

г ' 1 1 '

6 !*о

Х:\{их+иаЦ))и

ч

Рис. 3. Временные диаграммы работы ИАЦП с расширением ДЦП

Предложена схема построения ИУ (см. рис. 2) на базе индуктив-ностей, включаемых в этом случае последовательно-параллельно на вход, а резистор входит в цепь обратной связи ОУ1. Показано, что такое исполнение ИУ целесообразно использовать главным образом в случаях преобразования мощных сигналов, что требует применения мощной элементной базы (ОУ, ключей и т. д.). Кроме того, появляется дополнительная погрешность преобразования, обусловленная влиянием сопротивления провода обмоток катушек индуктивностей.

Для исследования метрологических характеристик предложенного ИАЦП была разработана его схемотехническая модель в формате пакета программ 5/Р55. При этом исследовалось влияние на погрешность преобразования неидеальности таких параметров ОУ1, как входные сопротивления по инвертирующему и неинвертирующему входам, напряжения смещения и дрейфа нуля, нестабильность входных токов, конечное значение коэффициентов усиления по обоим входам, коэффициент ослабления синфазной составляющей, полоса пропускания, уровень насыщения ОУ1. Результаты показали, что влияние перечисленных источников погрешности на точность преобразования существенно не отличается от аналогичных для двухтактного ИАЦП без расширения ДЦП. Кроме того, исследовано влияние сопротивлений переключателей 5] и ^ в закрытом и открытом состояниях, проходной емкости, емкости между управляющим входом электронного ключа и коммутируемым каналом, для чего использованы паспортные данные ключей типа 590КН7. Показано, что наибольшее влияние оказывают проходные емкости, уве-

личение которых приводит к увеличению длительности тк спада паразитных импульсов, возникающих в момент переключений. Однако при длительности постоянной времени интегрирования ИУ т»(2...3)тк их влиянием можно пренебречь. Влияние остальных параметров ключей пренебрежимо мало, и при длительности интервалов Ти и АТ более 10,0 мкс их можно не учитывать.

Проведено исследование влияния нестабильности порога срабатывания ОУ2 нуль-органа, показано, что ее влияние сравнимо с ИАЦП с двухтактным интегрированием без расширения ДЦП.

Сравнительный статистический расчет абсолютной погрешности, выполненный для ИАЦП с расширением и без расширения ДЦП, показал, что итоговые абсолютные погрешности преобразования для обоих типов ИАЦП примерно одинаковы при расширении ДЦП в десятки раз в предлагаемом варианте построения ИАЦП.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния нелинейности измерительного тракта преобразования СИ на помехоустойчивость по отношению к сетевым помехам нормального вида, оценке потенциально достижимой помехоустойчивости и разработке эффективных алгоритмов снижения влияния нелинейности на помехоустойчивость.

Как показали исследования, принципиальные ограничения по потенциально достижимой помехоустойчивости возникают даже при наличии малых нелинейностей функции преобразования (ФП) ИП. Это объясняется известным фактом размножения спектра сигнала при его прохождении через нелинейные элементы. При этом самым опасным является попадание части размноженного спектра в низкочастотную область, т. е. совпадение с частотным спектром информативного сигнала. Можно сказать, что происходит «мимикрия» помехи под информативный сигнал.

При оценке предельных значений коэффициента подавления сетевой помехи реальная ФП представлялась степенным многочленом

У = А0+А1Х + А2Х2+А3Х3, (18)

с другой стороны, для определения приведенной погрешности нелинейности ун ФП задавалась уравнением

7у=а0+а1Х + 2ХяуМХ/Хя), (19)

где входная величина X изменяется в пределах [~ХН, + ХН]; Хн -

номинальное значение X.

Исследования ряда экспериментально полученных ФП различных элементов СИ показали, что в большинстве случаев нелинейность ФП может быть описана полиномами 2-й и 3-й степени. В этих случаях зависимости выходного сигнала ИП от входного описываются при п = 2 выражением

при п-Ъ

Гу2=а0+а,Х + 4ун—— 2Хнуц,

Уу з = а0 + ахХ + 8ун -у - 6уиХ Хи

(20)

(21)

Спектр помех в выходном сигнале ИП помимо составляющей сигнала с частотой помехи содержит 2-ю и 3-ю гармоники помехи, а также постоянную составляющую, которая определяет абсолютную погрешность ИП от влияния помехи

Г2

Дп = 4г—^+л

(22)

2 2

С учетом (22) предельный коэффициент подавления помехи нормального вида при и = 2 равен

= 2018

хи

2у„^п

и при равенстве амплитуды помехи Хп = Ха

^2>>2018|

1

2?п,

При п = 3 соответствующая оценка принимает вид

>201ё

ч<3>

= 201ё

(23)

(24)

(25)

Показано, что оценку (24) можно принять и для оценки предельного коэффициента подавления для ФП с неизвестным характером нелинейности. При этом оценка получается с некоторым запасом. Выявлено, что аддитивная погрешность Дп (22) в точности сов-

падает с амплитудой второй гармоники косинусоидальной части спектра. Таким образом, имеется возможность использования измеренного значения амплитуды этой гармоники для компенсации погрешности (22) путем вычитания из выходного сигнала.

В работе проведен синтез алгоритмов коррекции влияния гармонической помехи при нелинейной ФП, а для анализа возможностей коррекции предложено использовать модель Гаммерштейна-Чебы-шева, удобную для описания нелинейности ФП.

Описание коэффициентов ФП с помощью многочленов Чебыше-ва Тп (х) предоставляет следующие возможности:

1) звенья модели W¿ являются по сути коэффициентами разложения функции Y = F(X) в ряд Чебышева, т. е. можно записать

М

Y^WMX);

я=0

Т (х)

2) если многочлен Тп(х) степени п при Тп(х) = 1, то для ■

2"

предельное значение будет —Ц-, что упрощает анализ погрешностей;

2«-1

3) многочлен Чебышева удобен для представления функций в виде степенных полиномов, что делает удобным применение его для описания элементов разложения Y = F(X);

4) при гармоническом входном сигнале X = sin coi очень легко осуществляется переход от разложения Чебышева к разложению Фурье. Это имеет практический смысл, так как разложение Чебышева может быть выполнено с помощью анализаторов спектра.

Таким образом, на входах сумматора будут гармонические составляющие с частотой, кратной номеру входа, а на входе «О» - постоянная составляющая, соответствующая абсолютной погрешности ИП от действия гармонической помехи.

Исследован алгоритм коррекции влияния гармонических помех при нелинейности ФП, описываемой полиномом п -й степени.

При этом рассмотрены два способа реализации алгоритма коррекции влияния помех для п = 2. Первый основан на определении мгновенного значения амплитуды второй гармоники в момент ф = О

для помехи (6), а второй способ основан на измерении амплитуды второй гармоники на выходе ИП с помощью нелинейного фильтра.

Проведены расчеты коэффициента подавления помех по данным алгоритмам в диапазоне изменения частот от номинальной в пределах ± 2%. При этом коэффициент подавления составил 60 дБ.

В случае нелинейности ФП в виде полинома более высокой степени п> 2 для определения поправки предложено использовать модель Гаммерштейна-Чебышева. При этом рассмотрены примеры получения выражений, описывающих реальные функции преобразованиями даны алгоритмы получения систем уравнений, упрощающие процесс нахождения неизвестных коэффициентов получаемых выражений.

Эффективность предлагаемых способов коррекции влияния помехи исследована и доказана с помощью программных средств МаЛСАБ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведено исследование проблемы построения помехоустойчивых средств измерения и показано, что в процессе их проектирования необходимо заранее учитывать такой показатель, как допустимый динамический диапазон изменения помехи (ДЦП), определяющий условия обеспечения помехоустойчивости.

2. Получены аналитические соотношения, связывающие условия линейной работы измерительных преобразователей, реализующих двухтактное интегрирование, с уровнем ДДП.

3. Разработан ряд имитационных моделей, и исследованы влияния уровня ДДП для различных типовых структур, интегрирующих ИП; показано, что наилучшими показателями помехоустойчивости обладают интегрирующие дискретизаторы с двумя и более степенями интегрирования.

4. Разработаны способ и структура ИП повышенной помехоустойчивости ИП с двухтактным интегрированием; в результате исследования получены аппроксимирующие уравнения для определения требований к выбору параметров ИП в зависимости от уровня помех.

5. Получены аналитические выражения, позволяющие по характеру нелинейности функции преобразования измерительного преобразователя оценить предельно допустимые значения коэффициента подавления помех нормального вида.

6. Предложены алгоритмы минимизации влияния аддитивных синусоидальных помех для преобразователей с нелинейными функциями преобразования, основанные на определении поправочных коэффициентов с помощью модели нелинейных систем типа Гам-мерштейна-Чебышева.

7. Полученные в диссертационной работе результаты использовались в ряде ПИР, а также в учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Жесткова Ю. Е. Методологические вопросы улучшения показателей помехоустойчивости средств измерений // Проблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного общества: Сб. материалов. - Сочи, 2004. - С. 121-122.

2. Жесткова Ю. Е. Классификация видов помех в трактах измерительного преобразования / В. И. Чернецов, Ю. Е. Жесткова // Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии: Сб. науч. тр. - Пенза, 2004. - С. 98-106.

3. Жесткова Ю. Е. Способ расширения динамического диапазона преобразователей с двухтактным интегрированием / Ю. Е. Жесткова, А. П. Мамыкин, В. М. Тимофеев // Сб. материалов науч.-техн. конф. «Датчики и преобразователи информации, системы измерения, контроля и управления». - М.: МГИЭ, 2003. - С. 47.

4. Жесткова Ю. Е. Моделирование средствами пакета 81М1ДЖК интегрирующих аналого-цифровых преобразователей / В. Д. Михотин, Ю. Е. Жесткова, В. И. Чернецов // Сб. материалов II Всерос. науч. конф. «Проектирование научных и инженерных приложений в среде МАТЬАВ». - М., 2004.

5. Жесткова Ю. Е. Помехоустойчивость и помеховосприимчи-вость средств измерений / В. Д. Михотин, Ю. Е. Жесткова // Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии: Сб. науч. тр. - Пенза, 2004. - С. 113-118.

6. Жесткова Ю. Е. Моделирование средствами МАТЬАВ интегрирующих аналого-цифровых преобразователей // Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии: Сб. науч. тр. - Пенза, 2004. - С. 151-157.

7. Жесткова Ю. Е. Пакет прикладных программ для моделирования помехоустойчивых интегрирующих АЦП // Информ. листок, № 54-160-04. - Пенза: Пенз. центр НТИ, 2002. - С. 4. .1

8. Жесткова Ю. Е. Помехоустойчивость измерительных преобразователей с нелинейной функцией преобразования / В. Д. Михо-тин, В. И. Чернецов, Ю. Е. Жесткова // Сб. докл. междунар. симп. «Надежность и качество». - Пенза, 2002. - С. 441-443.

9. Жесткова Ю. Е. Применение преобразования Блекмена-Тьюки для оценки спектральной плотности и фликера сетевого напряжения / В. Д. Михотин, В. И. Чернецов, Ю. Е. Жесткова // Тез. докл. междунар. симп. «Надежность и качество. Инновационные технологии производству XXI века».- Пенза, 2003. - С. 213-215.

10. Жесткова Ю. Е. Идентификация источников высокочастотных сетевых помех / В. А. Шаповал, Ю. Е. Жесткова // Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии: Сб. науч. тр. - Пенза, 2001. - С. 49-56.

11. Использование модели Гаммерштейна-Чебышева при решении задач электромагнитной совместимости / Ю. Е. Жесткова, В. Д. Михотин, В. И. Чернецов, В. А. Шаповал // Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии: Сб. науч. тр. - Пенза, 2001. - С. 56-58.

12. Жесткова Ю. Е. О предельных характеристиках помехоустойчивости измерительных преобразователей / А. Н. Андреев, В. И. Чернецов, Ю. Е. Жесткова // Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии: Сб. науч. тр. - Пенза, 2001. - С. 70-77.

13. Жесткова Ю. Е. Помехоустойчивость и помеховосприимчи-вость как показатели качества средств измерений / В. Д. Михотин, В. Б. Мухин, В. И. Чернецов, Ю. Е. Жесткова // Тез. докл. междунар. симп. «Надежность и качество».- Пенза, 2004. - С. 455-456.

14. Жесткова Ю. Е. Моделирование преобразователей сигналов при их проектировании / В. И. Чернецов, Ю. Е. Жесткова // Материалы III Всерос. науч.-техн. конф. «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике». - Чебоксары, 2000. - С. 26.

15. Жесткова Ю. Е. Условия инвариантного преобразования электрических цепей / В. И. Чернецов, Ю. Е. Жесткова // Тез. докл.

междунар. симп. «Надежность и качество. Инновационные технологии производству XXI века». - Пенза, 2001. - С. 213-215.

16. Жесткова Ю. Е. Динамические характеристики измерительных схем с параметрическими датчиками / Ю. Е. Жесткова, В. Я. Ку-дашов, В. И. Чернецов // Сб. материалов науч.-техн. конф. «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления». - М.: МГИЭМ, 2001. - С. 88.

17. Жесткова Ю. Е. Применение ЭВМ в электроэнергетике: Метод. указ. к лаб. работам по курсу «Математические задачи в электроэнергетике» / Ю. Е. Жесткова, С. Н. Медведева. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003. - С. 37.

18. Жесткова Ю. Е. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах: Метод, указ. к курс, проект. / В. С. Савось-кин, Ю. Е. Жесткова. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003. - С. 37.

19. Жесткова Ю. Е. Электромеханика: Учеб. пособие / Ю. Е. Жесткова, В. С. Савоськин. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. -С.209.

Жесткова Юлия Евгеньевна

Повышение помехоустойчивости измерительных преобразователей

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические величины)

Редактор Т. В. Веденеева Технический редактор Н. А. Въялкова

Корректор С. Н. Сухова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

ИД№ 06494 от 26.12.01 Сдано в производство 20.09.05. Формат 60х84'/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 564. Тираж 100.

Издательство Пензенского государственного университета. 440026, Пенза, Красная, 40.

* 20 4 4 Д

РНБ Русский фонд

20ЩИ: 22427

Список сокращений

ВВЕДЕНИЕ

1. ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОМЕХ И АНА

ЛИЗ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ.

1.1. Общие замечания.

1.2. Классификация видов помех, воздействующих ^ на средства измерений, и способы оценки помехоустойчивости

1.3. Анализ влияния помех

1.3.1 Особенности спектров кондуктивных помех . 29 *

1.3.2; Влияние электромагнитных помех, наводимых через элементы линии связи.

1.4. Краткий обзор методов повышения помехоустойчивости средств измерений

1. 5 Помехоустойчивость и допустимый динамический диапазон изменения (ДДП) помехи как показатели качества средств измерений

Выводы.'.

2. ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ИНТЕГРИРУЮЩИХ АЦП И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕ-^ СКОГО ДИАПАЗОНА ИЗМЕНЕНИЯ ПОМЕХ

2.1. Общие сведения.

2.2. Исследование динамического диапазона изменения помех интегрирующих АЦП с двухтактным интегрированием

2.3. Исследование допустимого ДДП интегрирующих АЦП.

2.3.1 Интегрирующие АЦП с двухтактным интегрированием

2.3.2 Интегрирующие квазиразвертывающие АЦП

2.3.3 АЦП на базе интегрирующих дискретизаторов 70 Выводы.

3. ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ.

3.1. Общие сведения.

3.2. Исследование способов расширения динамического диапазона изменения помех

3.3. Разработка способа расширения-ДДП интегрирующих АЦП.

3.4. Исследование эффективности способа расширения ДДП интегрирующих АЦП.

3.4.1. Разработка и обоснование модели ИАЦП

3.4.2. Моделирование элементов ИАЦП

3.4.3. Результаты сравнительного исследования ИАЦП с расширением и без расширения ДДП . 116 Выводы.

4- ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСО

БОВ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ИП С НЕЛИНЕЙНЫМИ ФУНКЦИЯМИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

4.1. Общие сведения.

4.2. Исследование влияния помех при наличии нелинейности функции преобразования ИП

4.3 Разработка и исследование алгоритмов подавления помех на базе модели Гаммерштей-на-Чебышева.

4.3.1 Виды моделей нелинейных систем

4.3.2 Свойства модели Гаммерштейна-Чебышева

4.3.3. Способы и алгоритмы коррекции влияния помех для ИП с полиномиальными функциями преобразования

Выводы.

Основные результаты

У Литература.

На современном этапе развития средств измерений (СИ) одной из основных проблем является проблема улучшения их метрологических характеристик. Этого требуют как научно-исследовательские, так и чисто технико-технологические интересы человечества. С исследовательской точки зрения более совершенные СИ позволяют точнее описать изучаемые процессы и глубже изучить естественно-научную картину мира. Для техники совершенствование применяемых в промышленности средств измерений позволяет повысить эффективность производств и качество выпускаемой продукции и изделий, улучшить экологические и бытовые условия проживания человека.

В настоящее время широкое использование электронной техники и энергоемкого электрического оборудования выдвигает на первый план совершенствование СИ в плане обеспечения электромагнитной совместимости, а именно построение помехоустойчивых измерительных преобразователей (ИП), приборов и систем, которые обеспечивают высокие метрологические характеристики в условиях воздействия внешних электромагнитных помех.

Состояние проблемы Задача построения помехоустойчивых средств измерений решается в условиях действия двух технически противоречивых тенденций. С одной стороны, это постоянно возрастающие требования практики к средствам измерений, которые должны обладать все более низкими порогами чувствительности при высоких требованиях к метрологическим характеристикам. С другой стороны, совершенствование СИ сдерживается постоянным ростом уровней электромагнитных помех из-за роста электроэнерговооруженности промышленности, транспорта и сферы бытовых услуг, т.е. вследствие увеличения общего электромагнитного фона. В данном аспекте проблема помехоустойчивости вот уже в течение последних сорока лет остается актуальной.

К настоящему времени в решении рассматриваемой проблемы достигнуты значительные практические и теоретические результаты.

Большой вклад в развитие теории и практики построения помехоустойчивых средств измерений внесли коллективы отечественных ученых, руководимые в разное время: Т. М. Алиевым, И. М. Вишенчуком, В. С. Гутниковым, J1. Ф. Куликовским, К. JI. Куликовским, В. Ю. Кнеллером, В. Н. Малиновским, А. И. Мартяшиным, А. М. Мелик-Шахназаровым, П. В. Новицким, М. П.Цапенко, Э. К. Шаховым, Б. Я. Швецким, Г. П. Шлыковым, В. М. Шляндиным, Г. А. Штамбергером и др.

В Пензенском государственном университете в течение последних 30 лет широкие исследования по рассматриваемой проблеме ведутся по двум основным направлениям. Одно направление, основанное Э. К. Шаховым и развиваемое его учениками В. Д. Михотиным, Б. В. Чувыкиным, ориентировано на совершенствование средств измерений, реализующих помехоустойчивые методы интегрирующего развертывающего преобразования. Второе направление, возглавляв-шиесяА.И. Мартяшиным и развиваемое его учениками В.И. Чернецовым, П. П. Чураковым и др., решает задачи построения инвариантных измерительных преобразователей устойчивых, к влиянию неинформативных параметров исследуемой цепи, т.е. по сути, к воздействию параметрических помех.

Рассматривая проблему в целом, можно отметить, что в основных принципиальных аспектах нашли решение вопросы классификации помех, разработаны способы построения помехоустойчивых СИ и алгоритмы обработки результатов измерений, обеспечивающие улучшение показателей помехоустойчивости. Но, вместе с тем, имеется ряд задач, не нашедших убедительного решения или решенных в меньшей степени из-за разнообразия требований, предъявляемых к СИ. К таким, например, относится задача построения помехоустойчивых СИ для случаев, когда помеха по мощности (амплитуде) существенно превосходит измеряемый сигнал.

Примеры таких задач существуют в различных областях науки и техники, например:

- в биомедицине потенциалы головного мозга составляют единицы микровольт, тогда как естественный фон эн-цефаллограмм головного мозга имеет уровни до десятков милливольт;

- в радиоастрономии принимаемые из космоса сигналы на несколько порядков по мощности меньше электромагнитного фона, вызванного промышленными помехами на поверхности Земли;

- в сейсмологии присутствующие на поверхности Земли естественные паразитные акустические шумы на порядки по уровню превышают интересующие исследователей шумы тектонических движений нижних слоев планеты;

- в промышленности при высокой энергонасыщенности производства в условиях значительных кондуктивных и электромагнитных помех.

Кроме того, при формулировке задач рассматриваемого класса СИ, следует рассматривать не только вопросы достижения требуемых показателей помехоустойчивости, но и ограничения по линейности тракта измерительного преобразования. Эти ограничения, как показано в работе, существенном образом определяют допустимый динамический диапазон изменения помехи (ДДП), при котором реализуются требуемые (номинальные) метрологические характеристики. Очевидно, дополнительные сложности имеют место при решении задач искусственного расширения динамического диапазона СИ, с целью обеспечения условий неискаженной передачи спектров измеряемых сигналов. Однако расширение динамического диапазона СИ сдерживается, как правило, неидеальностью применяемых усилительных элементов и измерительных преобразователей на их основе. Другими словами, ограничения допустимого ДДП обусловливаются нелинейностями характеристик активных элементов измерительных преобразователей.

Кроме того, в настоящей работе рассматриваются методы моделирования и исследования механизма воздействия помех на различные виды интегрирующих аналого-цифровых преобразователей (ИАЦП) и разработка на этой основе новых способов и алгоритмов подавления помех.

Основание для проведения работы Работа выполнена в соответствии с планами проведения и реализации г/б и х/д НИР Пензенского государственного университета и

Пензенского регионального центра высшей школы (ПРЦВШ) -филиала Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства (РГУИТП) по заказам ряда промышленных предприятий и организаций РФ.

Актуальность проблемы Актуальность проблемы решаемой в диссертационной работе, определяется следующими обстоятельствами: во-первых, необходимостью дальнейшего улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик СИ, позволяющих упростить разрешение по электромагнитной совместимости между источниками электромагнитных помех, объектами контроля и СИ, и повышения в итоге надежности работы электронной аппаратуры; во-вторых, появлением возможностями современных программно-аппаратных средств, предоставляющих возможность разработки новых, более совершенных методов анализа структур СИ и разработки на этой основе новых способов и алгоритмов работы ИП, отличающихся улучшенными характеристиками; в-третьих, необходимостью исследования механизма влияния нелинейности тракта измерительного преобразования на помехоустойчивость СИ и разработки способов и алгоритмов с целью минимизации влияния помех на ИП. Предмет исследований

1. Математические и имитационные модели измерительных цепей и преобразователей и, их исследование для определения погрешностей, обусловленных влиянием различного рода помех.

2. Математические модели измерительного тракта преобразования и их исследование для определения влияния нелинейности функции преобразования на помехоустойчивость СИ.

3. Способы и алгоритмы преобразования и обработки сигналов ИП, обеспечивающие повышение помехоустойчивости СИ, как в условиях значительных помех, так и при наличии нелинейности тракта преобразования.

Методы исследований Включают в себя: методы математического анализа, линейной алгебры, теории непрерывных и импульсных систем, систем автоматического регулирования, теории графов, численные методы цифровой фильтрации, методы математической статистики, методы математического и схемотехнического моделирования на ЭВМ. Теоретические исследования проводились с использованием пакета программ MathCAD и Simulink

Цель работы Разработка и исследование способов, алгоритмов и измерительных преобразователей, обеспечивающих повышение помехоустойчивости в широком динамическом диапазоне изменения помехи (ДДП).

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

- анализ механизмов проникновения помех в измерительные цепи и исследование спектральных характеристик помех;

- сравнительный анализ помехоустойчивости средств измерений, реализующих различного типа алгоритмы:1 аналого-цифрового преобразования;

- разработка и исследование новых способов и алгоритмов преобразования, улучшающих показатели помехоустойчивости СИ и расширяющих допустимый ДДП; получение оценок предельной помехоустойчивости разработанных ИП в зависимости от амплитуды помех и не * —■ линейности измерительного тракта СИ;

- апробация и доведение разработанных алгоритмов преобразования, имитационных моделей и структур СИ до практического применения в хоздоговорных, научно-исследовательских работах и учебном процессе.

Научная новизна работы

1. Выявлен механизм воздействия помех на измерительные цепи СИ во взаимосвязи с допустимым ДДП на примере ряда АЦП использующих интегрирующее развертывающее преобразование сигнала ИЦ.

2. Разработан и исследован способ расширения допустимого динамического диапазона изменения помехи для интегрирующих ИП, реализующих метод двухтактного интегрирования.

3. Предложены математические модели нелинейных ИП; проведен анализ и разработаны алгоритмы повышения помехоустойчивости СИ с нелинейными функциями преобразования .

4. Получены аналитические выражения для оценки достижимого коэффициента подавления помехи нормального вида в зависимости от значения ДДП и характера нелинейности тракта преобразования СИ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика исследования влияния помех на метрологические характеристики интегрирующих АЦП с применением методов математического и схемотехнического моделирования .

2. Способ, алгоритмы и структурные схемы ИП с двухтактным интегрированием, обеспечивающие расширение допустимого динамического диапазона изменения помех.

3. Обоснование целесообразности использования обменных зависимостей между погрешностью нелинейности функции преобразования ИП и предельно достижимыми значениями коэффициента подавления помех нормального и общего видов при разработке алгоритмов преобразования ИП.

4. Алгоритмы подавления помех для СИ с нелинейными характеристиками преобразования, позволяющие повысить их помехоустойчивость по отношению к аддитивным синусоидальным помехам.

Практическое значение результатов работы Теоретические и практические результаты, полученные в диссертации, разработанные алгоритмы подавления помех нормального вида в нелинейных трактах преобразования, способы и структурные схемы интегрирующих ИП, обеспечивающие расширение ДДП, а также разработанные математические и схемотехнические модели исследования позволяют сократить затраты на проектирование СИ и могут быть использованы при разработке и анализе метрологических характеристик СИ, обладающих повышенной помехоустойчивостью.

Разработаны практические рекомендации по выбору оптимального алгоритма подавления помех в зависимости от условий эксплуатации СИ и вида функции преобразования ИП.

Реализация и внедрение Диссертация представляет собой обобщение хоздоговорных и научно-исследовательских работ, в выполнении которых автор принимал участие в Пензенском государственном университете и в Пензенском филиале Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства. Разработанные алгоритмы подавления помех, математические и имитационные модели преобразования, пакет программ для оценки помехоустойчивости могут быть использованы при разработке и производстве средств измерений электрических и неэлектрических величин, при постановке лабораторных работ для учебного процесса.

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в ООО НПП «Энерготехника», ЗАО «Энергосервис», ЗАО «Энергостроймонтаж», ЗАО «Пензенские городские сети», используются на кафедрах АЭЭС, РТ и РЭС и КиПРА Пензенского госуниверситета, на кафедре «Прикладная информатика» Пензенского филиала Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства при выполнении исследовательских работ и в учебном процессе, что подтверждено соответствующими документами.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде международных и всероссийских конференций , симпозиумов и семинаров: на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2000, 2002, 2004); Международной нучно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации, системы измерения, контроля и управления» (г. Москва, 2003); Всероссийской НТК «conf 2004» (г. Москва, 2004); на конференциях Пензенского государственного университета и др. Всего по тематике диссертации сделано 18 научных сообщений и докладов.

Публикации По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе: 7 статей (две единоличные), 8 тезисов докладов, 1 информационный листок и 3 учебно-методических пособия

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения. Основной текст изложен на 181 листе машинописного текста, включая 67 рисунков и 8 таблиц. Библиография - 121 наименование.

Основные результаты и выводы по работе

1. Проведено исследование проблемы построения помехоустойчивых средств измерения и показано, что в процессе их проектирования необходимо заранее учитывать такой показатель, как допустимый динамический диапазон изменения помехи (ДДП) , определяющий условия обеспечения помехоустойчивости.

2. Получены аналитические соотношения, связывающие условия линейной работы измерительных преобразователей, реализующих двухтактное интегрирование, с уровнем ДДП.

3. Разработан ряд имитационных моделей и исследованы влияния уровня ДДП для различных типовых структур интегрирующих ИП; показано, что наилучшими показателями помехоустойчивости при сравнительно сложной реализации и ограничениях по быстродействию обладают интегрирующие дискретизаторы с двух и более степенями интегрирования.

4. Разработаны способ и структура ИП повышенной помехоустойчивости ИП с двухтактным интегрированием; в результате исследования получены аппроксимирующие уравнения для определения требований к выбору параметров ИП в зависимости от уровня помех.

5. Получены аналитические выражения, позволяющие по характеру нелинейности функции преобразования измерительного преобразования оценить предельно допустимые значения коэффициента подавления помех нормального вида.

6. Предложены алгоритмы минимизации влияния аддитивных синусоидальных помех для преобразователей с нелинейными функциями преобразования, основанные на определении поправочных коэффициентов с помощью модели нелинейных систем типа Гаммерштейна - Чебышева.

7. Полученные в диссертационной работе результаты использовались в х/д НИР, а также учебном процессе.

158

1. Ebbinge W. Parti Definitions and Standards CENELEC, Electronic components and applications, Vol. 2, №1, 1979, p. 49-52.

2. Mason S.I. Feedback theory Some properties of signal flou-graphs.-"Pros.of the Institute of Ratio Engineers@, 1953, v.1144-1156. MathCAD 6.0 Plus. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95.- м.: Филинъ, 1996.- 686 с.

3. Pat. 1072329 (Great Britain) Impruvments in digital voltmeters / E.Metcalf, H.A.Dorey. -1967.

4. Pat. 1278138 (Great Britain) Analog-to-Digital Converter 1972.

5. Pat. 1416241 (Franse) Convertissuer integrateur

6. R.A.Andersen, R.E.Goley, 1964.

7. Pat. 3716849 (USA) Integrating measurements withnoise rejection / E.Metcalf. 1973.

8. Pat. 3745556 (USA) Analog-to-Digital Converter /1. H.A.Dorey. 1973.

9. Sylvan J. Isolation and conditioning clean upindustrial signals, Electronic Design, Vol. 30, № 11, 1982, p. 117-121.

10. А. с. 122943 (СССР) Способ преобразования напряжений в цифровой эквивалент и преобразователь для его осуществления // А.К.Заволокин, Г.И. Ку-раханов. Опубл. в БИ, 1959, №19.

11. Абросимов Е.Д. Метод измерения уровня помех, излучаемых ЛЭП. Сб. науч. тр. Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии, - Пенза: Информационно-издательский центр Пенз. гос. ун-та. 2001, С. 45-49.

12. Андреев А.Н., Медведева С.Н., Михотин В.Д., Писка-рев С.П., Чернецов В.И. Анализ электрических цепей методом сигнальных графов: Учебное пособие. Пенза: изд. Пенз. гос. ун-та, 2001, С. 114.

13. Андрианов А.В., Шпак И.И. Цифровая обработка информации в измерительных приборах и системах. -Мн.: Высшая школа, 1987. 176 С.

14. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа. 1973. - 752 С.

15. Блинков Ю.В., Тихонов В.М. Некоторые возможности методов интегрирования при измерении напряжений постоянного тока // Межвуз. сб. научн. трудов «Информационно-измерительная техника» Пенза: Редак-ционно-издательский отдел ППИ, 1973. С. 5 -12.

16. Ван дер Зил А. Шумы при измерениях / Пер. с анг. под ред. к.т.н. Нарышкина А.К. М. : Мир, 1979, - 292 С.

17. Винер Н. Кибернетика или управление и связь в животном и машине / Пер. с анг. предисл. Г.Н. Поварова, с.5-28. М.: «Сов.радио», 1968, -326 С.

18. Вишенчук И.М. Основы теории и принципы построения помехозащищенных приборов для измерения интегральных характеристик сигналов: Автореферат дисс. докт. техн. наук. М.: 1982, - 40 с.

19. Волгин Л.И. Основы метрологии, оценка погрешностей измерений, измерительные преобразователи. -М.: МГУС, 2002, 129 С.

20. Гаткин. Н.Г., Геранин В.А., Карновский М.И., Красный Л.Г. Помехоустойчивость типового тракта обнаружения сигналов. Киев: Техника», 1971. - 204 С.

21. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделированиеполупроводниковых систем в MATLAB 6.0. Учебное пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001, - 320 С.

22. Гитис Э.И. и др. Техническая кибернетика. М. : Сов. Радио, 1968, - 486 С.

23. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск: Изд-во Межгосстандарт, 1997, - 30 С.

24. ГОСТ 23222-78 ГСИ Нормируемые метрологические и точностные характеристики. М. : Изд-во стандартов, 1982.

25. ГОСТ Р 51317.3.8-99 (МЭК 61000-3-8-97) Совместимость технических средств электромагнитная. Передача сигналов по низковольтным электрическим сетям. Уровни сигналов, полосы частот и нормы электромагнитных помех.

26. ГОСТ Р 51317.6.2-99 (МЭК 61000-6-2-99) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых в промышленных зонах. Требования и методы испытаний.

27. Андреев А.Н., Чернецов М.В., Чернецов В.И. Преобразователь перемещений в напряжение для бесконтактных потенциометрических датчиков // Сб. научн. тр. «Датчики систем измерения, контроля и управления» Пенза: Изд-во ПГТУ, 1996. С. 95-106.

28. Андреев А.Н, Чернецов М.В., Чернецов В.И. Овлиянии электромагнитных помех на точность рези-стивно-емкостных датчиков // В книге "Комплексное обеспечение точности автоматизированных производств" Пенза: Пенз. гос. техн. ун-т, 1995. С.199 - 203.

29. Бровко И.В., Чернецов В. И. Коррекция погрешностей датчиков на базе бесконтактных потенциометров // Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвуз. сб. научн. труд. Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун.та, 1995. С. 53-57.

30. Белевцев А.Т. Потенциометры. М. : Машиностроение, 1969. - 328 С.

31. Граф Р. Электронные схемы: 1300 примеров / Пер с анг. М.: Мир, 1989, - 688 С.

32. Гук М. Аппаратные средства IBM-PC. Энциклопедия. СПб.: Питер, 2000, - 815 С.

33. Гультяев А.К. MatLab 5.3 Имитационное моделирование в среде Windows. Практическое пособие. -СПб.: Корона принт, 2001, 400 С.

34. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М. : Высшая школа, 1990, - 622 С.

35. Гутников B.C. Измерительная электроника в измерительных устройствах. JI. : Энергия, 1980, - 248 С.

36. Данилов А.А. Методы и средства оценивания нелинейности функции преобразования измерительных преобразователей. Пенза: Изд-во Пенз. гос. унта, 2001, - 140 С.

37. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Гос. Изд-во иностр. литер. - 1948, - 225 С.

38. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В., Круглов В. В. MATLAB 5.3.1 с пакетами расширений. М. : Но1. N.лидж, 2001.

39. Жесткова Ю.Е. Пакет прикладных программ для моделирования помехоустойчивых интегрирующих АЦП. /Михотин В.Д, Чернецов В.И // Информационный листок №54-169-04. Пензенский центр НТИ, 2004, 4 С.

40. Жесткова Ю.Е. Методологические вопросы улучшения показателей помехоустойчивости средств измерений / Сб. матер. «Проблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного общества». Сочи, 2004. С. 121-122.

41. Жесткова Ю.Е. Моделирование средствами MATLAB интегрирующих аналого-цифровых преобразователей. / Сб. научн.тр. «Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии». Пенза, 2004, С. 151-157.

42. Жесткова Ю.Е., Андреев А.Н., Чернецов В.И. О предельных характеристиках помехоустойчивости измерительных преобразователей / Сб. научн. тр. «Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии». Пенза, 2001, С. 70-77

43. Жесткова Ю.Е., Кудашев В.Я., Чернецов В.И., Динамические характеристики измерительных схем с параметрическими датчиками / Сб. матер, научнотехн. конф. «Датчики и преобразователи информа-^ ции систем измерения, контроля и управления».

44. Москва, МГИЭМ, 2001, С. 88.

45. Жесткова Ю.Ё., Мамыкин А.П., Тимофеев В.М. Способ расширения динамического диапазона преобразователей с двухтактным интегрированием / Сб. матер. «Датчики и преобразователи информации,ф системы измерения, контроля и управления» Москва, 2003. С. 47.

46. Жесткова Ю.Е., Медведева С.Н. Применение ЭВМ в электроэнергетике / Методические указания к лабораторным работам по курсу «Математические задачи в электроэнергетике» Изд-во ПГУ, 2003 - 37 С.

47. Жесткова Ю.Е., Михотин В.Д. Помехоустойчивость и помеховосприимчивость средств измерений / Сб. научн. тр. «Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии» Пенза, 2004, - С. 113-118.

48. Жесткова Ю.Е., Михотин В.Д., Мухин В.Б., Чернецов В. И. Помехоустойчивость и помеховосприимчивость как показатели качества средств измерений

49. Тезисы докладов междунар. симпоз. "Надежностьи качество Пенза, 2004 - С. 455-456.

50. Жесткова Ю.Е., Савоськин B.C. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах / Методические указания к курсовому проектированию- Изд-во ПГУ, Пенза, 2003 37 С.

51. Жесткова Ю.Е., Савоськин B.C. Электромеханика / Учебное пособие Издательство ПГУ, Пенза, 2005- 209 С.

52. Жесткова Ю.Е., Чернецов В.И. Моделирование преобразователей сигналов при их проектировании / Материалы III Всеросс. Научно техн. конф. «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» - Чебоксары, 2000, - С. 2 6

53. Жесткова Ю.Е., Чернецов В.И. Условия инвариант-^ ного преобразования электрических цепей / В кн.

54. Докл. междунар. симпоз. "Надежность и качество. Инновационные технологии производству XXI века"- Пенза, 2001 С. 213-215.

55. Жесткова Ю.Е., Чернецов В.И. Моделирование средствами пакета Simulink интегрирующих аналогоцифровых преобразователей / Сб. матер.II всерос.научн.конфр. «Проектироывание научных и ин• женерных приложений в среде MATLAB» Москва, 2004.

56. Жесткова Ю.Е:«, Чернецов В.И. Классификация видов помех в трактах измерительного преобразования / Сб. науч. тр. «Проблемы, электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии» Пенза, 2004 - С. 98-106.

57. Зарипов М.Ф., Лимаков И.А., Генне М.И. Методы улучшения метрологических характеристик индуктивных датчиков перемещения // Элементы информа-ционно-измеритель-ных устройств: Сб. научн. трудов. Уфа, 1976. С. 3 - 13.

58. Иванов А.И. Быстрые алгоритмы синтеза нелинейных динамических моделей по экспериментальным данным. Пенза.: НПФ "Кристалл", 1995. - 30 С.

59. Измерения в промышленности. Справ, изд.// Под ред. П.Профоса. М.: Металлургия, 1980, 648 С.

60. Изъюрова Г. И. и др. Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Учеб. Пособие М. : Высшая школа, 1987. - 335 С.

61. Исследование электрических цепей в системе

62. Electronics Workbench. Пенза: изд. Пенз. гос.• ун-та, 2000. 73 С.

63. Ицхоки Я.С. Нелинейная радиотехника. М. : Сов. радио, 1955. - 168 С.

64. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Наука. 1971. - 576 С.

65. Карандеев К.Б., Штамбергер Г.А. Обобщенная теория мостовых цепей переменного тока. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1961. - 224 С.

66. Карташев И.И. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Способы его контроля и обеспечения / Под ред. М.А. Калугиной. — М.: Издательство МЭИ, 2000. 120 С.

67. Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П. Измерение параметров объектов представляемых многоэлементными двухполюсниками // Измерение, контроль, автоматизация, 1976. вып. 3(7). С. 3 -12.

68. Коган Б.Я. Электронные моделирующие устройства и их применение для исследования систем автоматического регулирования. М.: Гос. изд. физ.-мат. литературы, 1963. - 510 С.

69. V 71. Корн Г. А., Корн Т.М. Справочник по математикедля научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974. - 832 С.

70. Краус М., Вошни Э. Измерительные информационные системы. М.: Мир. 1975. 172 С.

71. Крысин Ю.М. К вопросу классификации помех измерительных устройств. Сб. науч. тр. Проблемыэлектромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии, Пенза: Информационно-издательский центр Пенз. гос. Ун-та. 2001, С. 63-70.

72. Левин С.Ф. Теория измерительных задач идентификации. Измерительная техника. - 2001. - № 7. -С. 8-17.

73. Мармарелис П., Мармарелис В. Анализ физиологических систем (метод белого шума). М.: Мир. 1981. - 480 С.

74. Мартяшин А.И., Куликовский К.Л., Куроедов С.К., Орлова Л.В. Основы инвариантного преобразования параметров электрических цепей. М. : Энерго-атомиздат, 1990. - 261 С.

75. Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М.: Энергия, 1976. - 391 С.

76. Медведева С.Н. «Анализ и синтез измерительных цепей датчиков с распределенными параметрами». Дис. канд. техн. наук. Пенза, 2002. - 213 С.

77. Математические основы теории автоматического регулирования // Под ред Б.К. Чемоданова. М. : Высшая школа, 1977, т.2, - 518 С.

78. Михайлов Е.В. Помехозащищенность информационно-измерительных систем. М.: Энергия, 1975.

79. Михотин В.Д., Чувыкин Б.В., Шахов Э.К. Методы синтеза весовых функций для эффективной фильтращ ции измерительных сигналов. // Измерение, контроль, автоматизация, 1981, №5, С. 5-13.

80. Михотин В. Д. Проектирование помехоустойчивых АЦП: Учеб. пособие. Пенза: Пенз. политехи, инт, 1984, - 88 С.

81. Михотин В.Д. Развитие теории и совершенствование цифровых измерительных приборов с весовым усреднением: Диссертация доктора технических наук. -Куйбышев: Куйбыш. политехи, институт, 1989.

82. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. JI., «Энергия», Ленинградское отделение, 1968г., 248 С.

83. Овчаренко Н.И. Аналоговые элементы микропроцессорных комплексов релейной защиты и автоматики.- М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001. -80 С.

84. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники.- Киев: Вища школа, 1976.- 432 С.

85. Отнес Р.К., Эноксон J1. Прикладной анализ временных рядов. М.: Мир, 1982, - 428 С.

86. Отт Г.У. Методы подавления шумов и помех в элек-щ, тронных системах. / Пер. с англ. Под ред.

87. М.В.Гальперина. М.: Мир, 1979.

88. Панфилов Д.И., Иванов B.C., Чепурин И.Н. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Eltktronics Workbanch: В 2-х т. / Под ред. Д.И. Панфилова Т.2 - М.: ДО-ДЭКА, 1999. - 304 С.

89. Петров Б.Н., Викторов В.А., Лучинкин Б.В., Сов-луков А.С. Принцип инвариантности в измерительной технике. М.: Наука, 1976 - 244 С.

90. Рабинер П., Гоулд Б. Теория и применение цифровойобработки сигналов. М.: Мир, 1978, - 848 С.

91. Рекомендации по метрологии Р 50.2.004-2000 ГСП. Определение характеристик математических моделейзависимостей между физическими величинами прирешении измерительных задач. Основные положения.- М.: Госстандарт России, 2000.

92. Рогинский В.Ю. Экранирование в радиоустройствах.- JI. : Энергия, 1968.

93. Серьезнов А.Н., Цапенко М.П. Методы уменьшения ^ влияния помех в термоэлектрических цепях. М. :•1. Энергия, 1968.

94. Свистунов Б.Л. Структурно-алгоритмические методы синтеза средств инвариантного измерения параметров электрических цепей. Дис. докт. техн. наук. - Пенза, 2004, 538 С.

95. Скородумов С.А., Обоишев Ю.П. Помехоустойчивая магнито-измерительная аппаратура. Л.: Энерго-издат. Ленингр. отд-ние, 1981. - 176 С.

96. Трубицков С. В. Интегрирующие аналого-цифровые преобразователи с улучшенными метрологическими характеристиками. Дисс. Канд. Техн. Наук. -Пенза, 1994, - 221 С.

97. Форейт И. Емкостные датчики неэлектрических величин. М.-Л.: Энергия, 1966, -160 С.

98. Харкевич А.А. Борьба с помехами. М.: Наука, 1965. - 275 С.

99. Хемминг Р.В. Численные методы для научных работников и инженеров. М.: Наука. 1972. -400 С.

100. Чернецов В.И. Операционные усилители и аналоговые функциональные элементы на их основе для радиотелеметрии. Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун-т, 1993. - 112 С.

101. Чернецов В.И. Развитие теории и совершенствование унифицирующих измерительных преобразователей для параметрических датчиков. Дис. докт. техн. наук. Пенза, 2000. - 378 С.

102. Чернецов В.И. Способы повышения помехоустойчивости средств измерений с нелинейными функциями преобразования. Датчики и системы, №10, 2000. С.

103. Чернецов В.И., Михотин В.Д. Повышение помехоустойчивости средств измерений с нелинейными функциями преобразования // Тез. Докл. III всероссийской НПК «Технические средства охраны и системы управления доступом». Пенза, 2000.

104. Чернецов М.В. «Унифицирующие измерительные пре-ф образователи физических величин на базе резистивно-емкостных датчиков». Дис. канд. техн. Наук. Пенза, 2001. - 215 С.

105. Чувыкин Б. В. Исследование и разработка измерительных преобразователей на базе интегрирующих дискретизаторов. Автореф. Дисс. . канд. техн. Наук. Пенза. - 1983. -20 С.

106. Чувыкин Б.В. Развитие теории финитных функций в задачах проектирования измерительных приборов и систем с цифровой обработкой информации. Автореф. Дисс. . докт. техн. Наук. Пенза. -2000. -31 С.

107. Чураков П.П. Синтез и обработка сигналов в устройствах измерения параметров электрических цепей. Дис.докт. техн. Наук. Пенза, 1998. - 448 С.

108. Шаповал В.А. Исследование способов и алгоритмов измерения электроэнергетических характеристик напряжения сети. Дисс. канд. техн. наук. -Пенза, 2003. -177 С.

109. Шахов Э.К. Разработка основ теории и новых прин-* ципов построения интегрирующих развертывающихпреобразователей. Дисс. докт. техн. наук. -Куйбышев, 1978, - 437 С.

110. Шахов Э.К., Михотин В.Д. Интегрирующие развертывающие преобразователи.- М.: Энергоатомиздат, 1986, 142 С.

111. Шидлович JI.X. Дифференциальные трансформаторы и их применение. М.: Энергия, 1966. - 95 С.

112. Шило B.JI. Популярные микросхемы: Справочник 2-е издание. Челябинск: Металлургия, 1989. - 352 С.

113. Шляндин В. М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы. М.: Высшая школа, 1973. -280 С.

114. Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства. М.: Высшая школа, 1981. - 335 С.

115. Щербаков М.А. Цифровая полиномиальная фильтрация: теория и приложение. Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1997. - 246 С.

116. Электрические измерения неэлектрических величин /Под ред. П.В. Новицкого и др.- Л: Энергия, 1975.- 576 С.

117. Юрманов В.А. Совершенствование структур и алгоритмов интегрирующих АЦП. Дисс. канд. техн. наук, - Пенза, 1985, 242 С.

118. Якубовский С.В. Барканов Н.А., Ниссельсон Л.И. и др. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие // Под ред. С. В. Якубовского. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1984. 432 С.